尾矿烧结制砖研究和应用

王晓明

（南京福翊铭环保新材料有限公司，南京 211153）

梅山铁矿梁塘尾矿库距离梅山铁矿12 km，库容为823.5万m3，占地面积为53.3 hm2，其属于四等库。西侧主坝下游紧邻梁塘村，2#副坝处有高压电线路通过，梁塘尾矿库属典型的头顶库，从长周期安全考虑，取砂销库能够彻底消除危险源，恢复原始生态地形地貌。随着建材行业机械工艺技术的进步，国家对建筑材料提出了绿色、环保、节能的新要求。用尾矿烧结多孔砖不仅可以提高铁矿资源利用率，还能减少土地资源占有量。当前，国家鼓励和支持研发尾矿综合利用共性关键技术。因此，南京福翊铭环保新材料有限公司和梅山铁矿协同合作，利用梁塘尾矿库库内堆存尾矿生产烧结砖，在全国冶金矿山率先整体利用尾矿库，以期实现堆存尾矿1 000万t全部利用，打造绿水青山环境，共建和谐友好社会。

1 尾矿性质

尾矿真比重为3.15 g/cm3，容重为1.50 g/cm3，比表面积为10.44 m2/g，塑性指数为8.57，矿物组成如表1所示，多成分分析如表2所示，铁物相分析如表3所示，粒度分析如表4所示。

表1 尾矿矿物分析

表2 尾矿多成分分析

表3 尾矿铁物相分析

表1显示，尾矿中矿物有磁铁矿、菱铁矿、石英、方解石、赤铁矿、白云石和高岭土等，含有一定量的黏土矿物；表2显示，铁品位和CaO较高，烧损较高；表3显示，尾矿中含铁矿物主要是赤铁矿和碳酸铁，此外有少量硅酸铁和黄铁矿；表4显示，粒度组成细，-400目占67.72%，-200目占83.16%，+0.45 mm产率只有0.46%，粒级降低，铁品位升高。经初步分析，尾矿含有绿泥石、云母等片层状结构的黏土矿物，满足制砖对物料塑性指数大于7的要求，尾矿是铁矿石经过球磨机磨矿分级，粒度大幅度降低后工序选别的产物，因此粒度细而且均匀，比黏土的比表面积大，平均粒径小，有利于固相分解反应和烧结过程的进行，可减少游离氧化钙和氧化镁。

表4 尾矿粒度分析

2 烧结制砖研究

烧结砖瓦是一种多功能齐备于一体的建筑材料，以防火、防潮、防化学腐蚀、抗风化能力强而称著[1]。烧结砖是综合物理、生物、建筑和美学性能的理想墙体材料。远古时期，人类已经开始生产和使用烧结砖，它伴随着人类文明史发展的全过程。我国烧结砖出现在战国时期，到了秦汉时期，砖瓦生产迅速发展，烧结砖是久经考验的墙体材料。

2.1 挤出成型

试验设备采用实验室用真空挤出机，由上级喂料系统和下级挤出系统组成，分为三种不同砖型。

挤出试样为三孔砖，孔形为矩形，机口截面尺寸为80 mm×60 mm，孔洞率为15.39%，挤出压力为1 MPa，真空度为0.082 MPa，成型含水率为17.76%；挤出试样为三孔砖，孔形为矩形，机口截面尺寸为45 mm×35 m，孔洞率为18.7%，挤出压力为0.8 MPa，真空度为0.082 MPa，成型含水率为17.76%；挤出试样为36孔砖，孔形为矩形，机口截面尺寸72 mm×72 m，孔洞率为44.4%，挤出压力为0.5 MPa，真空度为0.086 MPa，成型含水率为18.39%。挤出过程顺利，砖坯表面光滑，无裂纹。

2.2 干燥

坯体干燥过程中，由于水分蒸发，颗粒自然靠拢，体积收缩。对于干燥收缩率大的物料，应该缓慢干燥，避免坯体出现干燥裂纹，生产中要求收缩率小于6%。泥料成型后干燥，没有出现干燥裂纹，干燥良好，干燥过程升温参数如下：室温35 ℃升温速度5 ℃/h，35～50 ℃升温速度7 ℃/h，50～80 ℃升温速度15 ℃/h，80～105 ℃升温速度30 ℃/h，105 ℃保温2 h。

2.3 烧成

将干燥好的试样置于马弗炉中烧成，升温速度如下：0～800 ℃升温速度120 ℃/h，800 ℃至烧成温度升温速度60 ℃/h，保温4 h。如烧成温度低于800 ℃，则按120 ℃/h到烧成温度，烧成后的降温过程电炉自动断电，自然降温。

焙烧过程中发生一系列物理化学变化，产生烧成收缩，烧结后的砖坯敲击声音清脆，强度较高。烧成参数如下：900 ℃烧成，烧成线收缩率-0.13%膨胀，干燥烧成总收缩率为4.04%，烧失量为13.92%；950 ℃烧成，烧成线收缩率-0.04%膨胀，干燥烧成总收缩率为4.24%，烧失量为14.37%；1 000 ℃烧成，烧成线收缩率为0%，干燥烧成总收缩率为4.24%，烧失量为14.69%；1 050 ℃烧成，烧成线收缩率0.17%膨胀，干燥烧成总收缩率为4.24%，烧失量为15.76%。

1 000～1 050 ℃烧成品表面呈淡青色，1 050 ℃烧成，烧失量偏高；900～950 ℃烧成品表面呈浅红色，出现轻微膨胀现象；800～850 ℃烧成品表面呈暗红色；700～750 ℃烧成品表面呈暗红色。经初步判定，烧成温度合适范围为850～1 000 ℃。

2.4 试验结论

尾矿符合硬塑挤出成型要求，干燥敏感性较低，干燥和烧成不开裂、不变形。烧结砖中，尾矿利用率可以超过60%，适宜烧成温度为850～1 000 ℃。烧成品颜色呈红色和褐色，与烧结普通砖相近，市场满意度较高。铁矿尾矿比重略高，因此烧成品密度略高，可以通过调整开孔率降低质量。

3 工业生产

投资22 000万元建设年产1.2亿块标砖生产线，配置两条143 m×4.8 m×3.7 m隧道窑干燥焙烧生产线，研发了细粒铁尾矿回采-原料破碎-混匀陈化-挤出码坯-隧道窑烧结的新工艺。

3.1 尾矿回采

根据尾砂在库内位置和堆存情况，针对安全需求、尾砂特性、作业顺序及需要采取的措施，划分为回采Ⅰ区、回采Ⅱ区、回采Ⅲ区，共计三个区，其中回采Ⅰ区位于库区中后部，属于细粒级、饱和、流塑状态尾砂；回采Ⅱ区位于库区坝前，沿坝顶内周边库内环绕布置，尾砂粒度较粗，含水量较低；回采Ⅲ区保护区位于厂房及辅助设施布置区。

尾矿库回采严格执行《尾矿库安全规程》（GB 39496—2020），采用专业工程设计，编制安全技术方案，组织岗位培训，取得安全生产许可证。采用外排式回采方案进行干式回采。回采Ⅰ区采用挖掘机，也可采用水上挖掘机、铲装机、小型自卸汽车及皮带运输机；回采Ⅱ区采用挖掘机、铲装机、中型自卸汽车等进行。在回采Ⅰ区设置若干取砂便道，用于车辆和机械运行及尾砂倒运；在坝前设置环库运输道路，用于尾砂运输。采砂顺序总体按先内后外、先上后下、最后拆除坝体及排洪构筑物，分区、分块、分带、分层开采的原则进行；回采过程中，必须始终保持溢流塔溢流区标高最低，便于库区地表汇流能够顺坡自流至溢流塔所在区域。

3.2 原料处理

库内尾矿经回采后输送至原料储备库堆存备用，对原料均化处理。采用三辊两搅原料处理工艺，原料按配方计量后，分别进入处理系统进行逐级碾压，经搅拌机加水混合之后，送入容积7 500 m3的陈化库进行储存，使原料的物理性能得到均化，经陈化后的泥料，性能改善，混合均匀，满足挤制成型质量要求。陈化过后的混合料用自动多斗机取出，送进箱式给料机中缓冲并均衡给料，再经过最后一道搅拌工序再次搅拌，直接送到硬塑真空挤出机挤出成型。

根据尾矿粒度细，CaO含量高，SiO2、AL2O3、K2O和Na2O含量较低的实际情况，添加煤矸石和碎砖骨料，进行配比校正，提高砖坯强度，保证焙烧需要的发热量。原料配比为高热值煤矸石∶低热值煤矸石∶碎砖∶尾矿=30∶9∶1∶60，全部利用煤矸石发热量烧结，全内燃转，热值控制在1 464.4～1 673.6 J/g。

3.3 一次码烧生产工艺。

挤出的泥条经切条机、切坯机，切割成规格坯体，由湿坯步进编组皮带对湿坯进行编组，再由机械手将砖坯直接码到窑车上，码好砖坯的窑车由液压顶车机顶入干燥窑中进行脱水干燥，干燥完成的砖坯经摆渡车转运至隧道窑中，经历预热、烧成、保温、冷却等热工过程，使砖坯经高温烧成强度合格的产品。

生 产KP1砖（240 mm×115 mm×90 mm）和KP2砖（190 mm×190 mm×90 mm），成型水分为15.4%，干燥后水分为0.5%，机器人自动码坯15层，装载量为5 760块/窑车，人工操作牵引车和摆渡车进出干燥和焙烧隧道窑。以KP1砖为例，烧成砖检测指标如表5所示。

表5 隧道窑240 mm×115 mm×90 mm烧成砖指标

检测表明，没有出现石灰爆裂和泛霜现象，指标全部满足《烧结多孔砖和多孔砌块》（GB/T 13544—2011）的要求，因此其被认定为江苏省新型墙体材料产品。

3.4 尾气处理

尾矿和煤矸石中含硫高温焙烧后产生的SO2，通过余热分离工艺，再经过石灰和氢氧化钠钙钠双碱中和脱硫工艺，处理后达标排放。检测表明，排出的烟气SO2浓度最低为15.96 mg/m3，最高为63.84 mg/m3，优于《砖瓦工业大气污染物排放标准》（GB 29620—2013）中规定的最高允许限值，即300 mg/m3。

4 效益测算

年产1.2亿块标砖，安置就业100人，消耗尾矿30万t。据统计，每堆存1 t尾矿，占地费、建设和筑坝费、浓缩输送设备成本费合计55元/t；1 t尾矿可以生产KP1砖300块，产值为150元，制砖成本为90元/t，年直接效益达到1 800万元，节约尾矿经营费用1 650万元。

5 结论

研究和应用实践证实，梅山铁矿尾矿经过磨矿，粒度细，有塑性，可以替代黏土，降低原料处理成本，采用隧道窑生产出满足国家标准的墙材新产品。尾矿制砖符合循环经济理念，把尾矿看作资源，既生产出合格建材制品，又消除尾矿库危险源，腾出土地资源，产生经济效益，真正做到了企业与环境的协调发展。综合利用尾矿资源，建设制砖生产线，在全国矿山率先做到整体利用尾矿库资源，消除危险源，循环利用，为企业可持续发展奠定基础，主动履行社会责任，带动就业，有利于共建和谐社会。建议继续研究使用尾矿作为筑路材料的技术途径，加快规模利用进度，尽早销库。